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Anordnung zur Eliminierung der Frequenz-C abhängigkeit einer elektro-optischen
Einrichtung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Eliminierung der Abhängigkeit
von der Folgefrequenz der Steuerimpulse bei einer elektro-optischen Einrichtun zur
Durchführung logischer Operationen mit 9 C
einem Kondensator, der beim Anlegen
eines Feldes den Polarisationszustand eines ihn durchsetzenden Lichtstrahls ändert,
mit einem kompensierenden Element, das den Anisotropieänderungen des Kondensators
im feldfreien Zustand entgegenwirkt.
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Bekannte lichtsteuernde Einrichtungen zur Durchführung logischer Operationen
arbeiten in der Weise, daß linear polarisiertes Licht Elementen zugeführt wird,
die je nachdem, ob eine binäre »L« oder eine binäre »0« eingegeben
werden soll, die Polarisationsebene des Lichtstrahls drehen oder unverändert lassen.
Diese die Drehung der Polar!-sationsebene bewirkenden Elemente bestehen beispielsweise
aus doppelbrechenden Kristallen, die unter der Wirkung angelegter elektrischer Felder
ihre doppelbrechenden Eigenschaften so ändern, daß zwischen dem ordentlichen und
dem außerordentlichen Strahl eine Weglängendifferenz auftritt, die einem ungeradzahligen
Vielfachen der halben Wellenlänge gleich ist, während beim Fehlen eines Feldes der
Unterschied der Weglängen gleich einem geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge
ist. Im allgemeinen betragen die auftretenden Weglängendifferenzen eine sehr große
Zahl von Wellenlängen, was, wie nicht mehr ausgeführt werden muß, für die weitere
Verarbeitung des linear polarisierten Strahls äußerst nachteilig ist.
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Bei einer bekannten ferro-elektrischen logischen Schaltung ist zur
Kompensierung von Temperaturschwankungen in Strahlrichtung hinter einem ferro-elektrischen
Kondensator ein doppelbrechender Kristall angeordnet,* der keine elektrische Verbindung
mit dem logischen System hat. Dieser Kristall verzögert das durch ihn hindurchtretende
Licht in einer Richtung, die der Verzögerungsrichtung des ferro-elektrischen Kristalls
entgegengesetzt ist. Änderungen in der Umgebungstemperatur der Kristalle rufen Änderungen
der Drehung des polarisierten Lichtes hervor, in den beiden, der gleichen Temperatur
ausgesetzten Kristallen jedoch in entgegengesetzter Richtung. Durch diese Maßnahme
wird zwar erreicht, daß die optischen Eigenschaften der Kombination hinsichtlich
der Temperaturschwankungen konstant bleiben, eine Eliminierung anderer, insbesondere
frequenzabhängiger Störungen kann hierdurch jedoch nicht erreicht werden.
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Hier sind es vor allem die als Elektrostriktion bekannten elastischen
Deformationen, die durch die Änderung der Kristallabmessungen ebenfalls Änderungen
des Polarisationszustandes hervorrufen. Ist die Folgefrequenz der Steuerimpulse
niedrig, so folgen zunächst die elastischen Deforinationen des Kristalls dieser
Frequenz. Steigt die Frequenz der Steuerimpulse an, so gelangt der Kristall schließlich
in den Bereich der Resonanz, in dem die Deformationen besonders groß sind. Wird
die Steuerfrequenz noch weiter gesteigert, so vermag der Kristall diesen Schwingungen
nicht mehr zu folgen, und sein Verhalten wird mehr und mehr frequenzunabhängig.
Durch diese Erscheinung ist eine relativ niedrige Betriebsfrequenzgrenze für die
beschriebene Anordnung gegeben, die weit unterhalb der Resonanzfrequenz liegt. Aufgabe
der Erfindung ist es, bei der genannten elektro-optischen Einrichtung mit einem
Kondensator, der beim Anlegen eines Feldes den Polarisationsstand eines ihn durchsetzenden
Lichtstrahls -ändert, und einem kompensierenden Element, das den Anisotropieänderungen
des Kondensators im feldfreien Zustand entgegenwirkt, die aufgeführten Nachteile
zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß das kompensierende, gegenüber
dem zu kompensierenden Element mechanisch gleich dimensionierte, jedoch invers polarisiert
angeordnete Element ebenfalls als elektro-optischer Kondensator ausgebildet ist
der mit den Steuerimpulsen bezüglich ihrer Frequenz übereinstimmenden Impulsen beaufschlagt
wird. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die mechanischen Resonanzfrequenzen der Kristalle
bei entsprechenden
Dimensionen denselben Wert annehmen und daß
es in diesem Falle möglich ist, durch Wahl geeigneter Spannungen an den Kondensatoren
die Differenz der Doppelbrechungsänderungen frequenzunabhängig zu machen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung
sind die beiden elektro-optischen Elemente derart ausgebildet, daß durch ihre gemeinsame
Wirkung die Schwingungsebene eines sie durchsetzenden, linear polarisierten, monochromatischen
Lichtstrahls im feldfreien Zustand unverändert bleibt, beim Anlegen eines Feldes
jedoch um 901 gedreht wird. Vorteilhaft ist es auch, daß das kompensierende
Element im feldfreien Zustand die Wirkung des nicht gesteuerten kompensierenden
Elementes ausübt.
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Normalerweise sind bei derartigen Anordnungen die Weglängendifferenzen
der sich in den Kristallen fortpflanzenden, senkrecht zueinander linear polarisierten
Komponenten sehr groß. Hieraus ergeben sich Schwierigkeiten, insbesondere hinsichtlich
der Kohärenz. Es ist daher von Vorteil, daß die beiden elektro-optischen Elemente
so ausgebildet sind, daß die Ordnungszahl der in ihnen auftretenden Weglängendifferenzen
erniedrigt wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die kompensierenden
und die zu kompensierenden Elemente aus der gleichen Substanz bestehen. Für manche
Anwendungen haben sich aber auch kompensierende Elemente als vorteilhaft erwiesen,
die aus Substanzen bestehen, die stärker oder auch schwächer doppelbrechend sind
als die Substanzen der zu kompensierenden Elemente.
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. Es kann aber auch vorteilhaft sein, das Auftreten von Weglängendifferenzen
höherer Ordnung dadurch zu vermeiden, daß die elektro-optischen Elemente einzeln
wahlweise aus in nicht gesteuertem Zustand isotropen Substanzen oder aus anisotropen
Kristallen bestehen, die in Richtung einer ihrer Achsen durchstrahlt werden.
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Um eine besonders einfache Justierbarkeit der kompensierenden Elemente
zu gewährleisten, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das kompensierende
Element um eine zur Durchstrahlungsrichtung senkrechte -Achse drehbar angeordnet
ist.
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Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels
beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine elektro-optische Anordnung mit einem
doppelbrechenden Kristall zur Erläuterung des Verhaltens eines den Kristall durchsetzenden,
linear polarisierten Lichtstrahls, F i g. 2 dieselbe Anordnung wie F i
g. 1, jedoch für den Fall, daß an dem doppelbrechenden Kristall ein elektrisches
Feld angelegt ist, F i g. 3 eine elektro-optische Anordnung mit einem weiteren
elektro-optischen Kristall zur Kompensierung frequenzabhängiger Störungen und F
i g. 4 den durch elasto-optische Effekte verursachten Frequenzgang der Änderung
der Doppelbrechung bei verschiedenen Kristallen.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung ist in den F i
g. 1 und 2 eine Anordnung dargestellt, bei der das von der Lichtquelle
1 ausgehende monochromatische Licht über die Kollimatorlinse 2 und den Polarisator
3 auf einen doppelbrechenden Kristall 4 fällt. Durch den Polarisator
3 wird das Licht unter einem Winkel von 45' linear polarisiert. Seine Schwingungsebene
ist durch den Pfeil 5 angedeutet. Der doppelbrechende Kristall 4 ist ein
einachsiger, anisotroper Kristall (beispielsweise Amoniumdihydrogenphosphat), der
so angeordnet ist, daß seine optische Achse 6 waagerecht und senkrecht zur
Durchstrahlungsrichtung verläuft. In der Strahlungsrichtung 7 einfallendes
Licht wird somit in zwei senkrecht zueinander linear polarisierte Komponenten gleicher
Intensität aufgespalten, deren Schwingungsebenen 8 und 9 im Hauptschnitt
und senkrecht zum Hauptschnitt liegen. Die beiden linear polarisierten Wellen pflanzen
sich innerhalb des Kristalls entsprechend den verschiedenen Brechungsindizes mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit fort und überlagern sich beim Austritt aus dem
Kristall wieder. Ist daher die Dicke d des Kristalls 4 so bemessen, daß der
Gangunterschied A s der beiden Wellen ein ganzzahliges Vielfaches
der Wellenlänge des verwendeten Lichtes beträgt, so tritt keine Phasenverschiebung
der Komponenten ein. Das aus dem Kristall 4 austretende Licht 10, das sich
aus den Komponenten 8 und 9 zusammensetzt, ist wiederum linear polarisiert,
und seine Schwingungsebene entspricht der Schwingungsebene 5 des einfallenden
Lichts. Fällt dieser Lichtstrahl auf den Analysator 11, dessen Polarisationsebene
12 um 90'
gegen die Schwingungsebene 5 gedreht ist, so kann kein Licht
durch den Analysator hindurchtreten, und das mit dem Empfänger 13 verbundene
Meßgerät 14 liefert keine Anzeige.
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Der doppelbrechende Kristall 4 ist mit zwei in der Strahlungsrichtung
7 hintereinander angeordneten lichtdurchlässigen Elektroden 15, 16
versehen. Die Elektrode 15 liegt auf Erdpotential, während an die Elektrode
16 über den Kontakt 17 ein positives Potential angelegt werden kann.
Geschieht dies, so ändert das zwischen den Elektroden 15 und 16 herrschende
elektrische Feld die Brechungseigenschaften des Kristalls 4 in Abhängigkeit von
der angelegten Spannung. Dabei kann durch Wahl einer geeigneten Spannung erreicht
werden, daß der Gangunterschied A s zwischen den linear polatisierten
Komponenten nunmehr ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des verwendeten
Lichtes beträgt. Die phasenverschobenen Komponenten 8' und 9' (F i
g. 2) überlagern sich somit beim Austritt aus dem Kristall 4 zu der linear
polarisierten Welle 18, deren Schwingungsebene gegenüber dem einfallenden
Licht um 90' gedreht ist. Da diese Schwingungsebene mit derjenigen des Analysators
11 übereinstimmt, gelangt in diesem Falle das Licht auf den Empfänger'13,
und das Meßgerät 14 registriert eine An-zeige.
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Der doppelbrechende Kristall 4 erfährt im elektrischen Feld jedoch
noch eine weitere Veränderung, nämlich eine elastische Deformation, die als Elektrostriktion
bekannt ist. Dieser Effekt verursacht ebenfalls eine Änderung der Doppelbrechung
und damit der optischen Weglängendifferenz. Sein Einfluß macht sich besonders dann
sehr störend bemerkbar, wenn die durch Betätigen des Schalters 17 erzeugten
Signalimpulse eine Folgefrequenz besitzen, die in der Nähe der mechanischen Resonanzfrequenz
des Kristalls liegt.
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Diese unerwünschte Erscheinung wird durch die in der F i
g. 3 dargestellte Anordnung kompensiert. Ähnlich wie bei der Anordnung der
F i g. 1 und 2 gelangt das von der Lichtquelle 21 ausgehende,
monochromatische
Licht über die Kolfimatorlinse 22 und den Polarisator 23 auf den doppelbrechenden
Kristall 24. Durch den Polarisator 23 wird das Licht unter 45' in der durch
den Pfeil 25 angedeuteten Schwingungsebene linear polarisiert. Der Kristall
24 ist mit seiner optischen Achse 26 in waagerechter Richtung angeordnet.
Er besitzt die lichtdurchlässigen Elektroden 27 und 28. Hinter dem
doppelbrechenden Kristall 24 ist der ebenfalls doppelbrechende Kristall
29 in den Strahlengang eingebracht. Dieser Kristall ist mit den lichtdurchlässigen
Elektroden 30 und 31 versehen. Er ist so angeordnet, daß seine optische
Achse 32 in senkrechter Richtung verläuft, also gegenüber der optischen Achse
26 des Kristalls 24 um 90' gedreht ist. Die Index-Ellipsoid-Achsen
niae n.a und nib, n2b der beiden Kristalle 24 und 29 sind djÜei so zueinander
versetzt, daß die Index-Ellipsoid-Achse nib parallel zu der Index-Ellipsoid-Achse
n"" die Index-Ellipsoid-Achse nl, jedoch antiparallel zu der Index-Ellipsoid-Achse
n,b liegt. Diese Orientierung der beiden Kristalle zueinander hat zur Folge, daß
die in dem Kristall 29 entstehende Phasenverschiebung der Komponenten der
im Kristall 24 entstandenen Phasenverschiebung entgegenwirkt. Die gesamte durch
die beiden elektro-optischen Kristalle erzielte Phasenverschiebung besteht demnach
in der Differenz der einzelnen Phasenverschiebungen. Durch geeignete Auswahl der
Kristalldicken d" und db erreicht man bei gegebenen Kristallsorten der doppelbrechenden
Kristalle wiederum eine Gesamtphasenverschiebung, die ein ganzzahliges Vielfaches
der Lichtwellenlänge beträgt, so daß der aus dem Kristall 29 austretende
Lichtstrahl in derselben Richtung 25 wieder der einfallende Lichtstrahl polarisiert
ist. Dieser Lichtstrahl kann den Analysator 33 nicht durchdringen und liefert
infolgedessen an dem mit dem Empfänger 34 verbundenen Meßgerät35 keine Anzeige.
Gegenüber der Anordnung in F i g. 1 besteht jetzt aber der Vorteil, daß die
Ordnungszahl der Gangunterschiede der Lichtwellen wesentlich erniedrigt ist. Dadurch
werden die aus den normalerweise großen Gangunterschieden von einigen tausend Wellenlängen
herrührenden Schwierigkeiten beseitigt.
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Die Elektroden 27 und 30 der beiden Kristalle 24 und
29 liegen auf Erdpotential, während an die Elektroden 28 und
31 gleichzeitig positive Signalspannungen 37, 38 angelegt werden.
Die hierdurch hervorgerufenen Änderungen der Doppelbrechung wirken ebenfalls gegeneinander,
und durch geeignete Wahl der Höhe der Signalspannungen wird erreicht, daß der gesamte
Gangunterschied der Komponenten ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Lichtwellenlänge
beträgt. In diesem Falle schwingt das aus dem Kristall 29 austretende Licht
in der Ebene 36 des Analysators 33, wird daher vom Analysator
33 durchgelassen und trifft auf den Empfänger 34, der am Meßinstrument
35 eine Anzeige liefert. Auch in diesem Falle ist natürlich die bereits erwähnte
Erniedrigung der Ordnungszahl der Gangunterschiede wirksam.
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Die beschriebene Anordnung der beiden doppelbrechenden Kristalle ermöglicht
eine Kompensation der durch die piezo-elektrischen Effekte verursachten Gangunterschiede.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Grenzfrequenz, oberhalb derer keine elektrostriktive
Deformation mehr auftritt, eine Funktion der Kristalldirnensionen ist, so daß beim
Anlegen geeigneter Spannungen an Kristalle entsprechender Dimension die Differenz
ihrer Doppelbrechungsänderungen frequenzunabhängig ist. Dieser Zusammenhang wird
im folgenden erläutert.
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In F i g. 4 ist die Änderung der Weglängendifferenzö(A)=ö(d[n,-n,1)
in Abhängigkeit von der Folgefrequenz der Signahmpulse bei einer bestimmten Feldstärke
für zwei Kristallsorten a und b
derselben Dicke aufgetragen. Dabei sind ti,
und n. die Brechungsindizes der beiden Teilkomponenten, und d ist die Kristalldicke.
Im Bereich I ändert sich neben dem Wechsel der Feldstärke sowohl die Brechzahldifferenz
n.-n, als auch die Kristalldicke d, oberhalb der Grenzfrequenz
111 im Bereich 11 nur die Brechzahldifferenz n2-n,' Die GrenzfrequenzIII
ist eine Funktion der Kristalldünension und hat für beide Kristalle, die dieselbe
Dicke besitzen, denselben,Wert. Das Verhältnis der Doppelbrechungsänderungen unterhalb
und oberhalb der Grenzfrequenz besitzt bei verschiedenen Kristallen verschiedene
Werte. Die Grenzfrequenz:111 hat jedoch bei entsprechenden Kristalldimensionen denselben
Wert. Werden an die Kristallea und b geeignete Spannungen angelegt, so ist
die Differenz der Doppelbrechungsänderungen frequenzunabhängig. Dieser Fall ist
in F i g. 4 gezeigt, in der der Abstand zwischen den Kurven a und
b für alle Frequenzen derselbe ist.
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Die Weglängendifferenz im Kristall 24 (a) beträgt A
a # da - (n2a - nl"), im Kristall 29
(b)
A b = db(nib - n2b) = -
db(n2b - nib) Der gesamte Weglängenunterschied ist daher
A = A a + A b = d,(n2a - nja)
- db(n2b - nlb) und damit gleich der Differenz der Beträge
der Doppelbrechungen der einzelnen Kristalle. Die Differenziation dieser Gleichung
nach der Feldstärke ergibt, daß auch die gesamte Änderung ö (A) gleich der
Differenz der Doppelbrechungsänderungen der einzelnen Kristalle ist, also gerade
gleich dem frequenzunabhängigen Abstand z der Kurven für die Kristalle a und
b ist.
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Außer den frequenzabhängigen Effekten werden durch den Kristall
29 im feldfreien Zustand auch andere, frequenzunabhängige, störende Nebeneffekte,
z. B. die Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung, die ebenfalls Gangunterschiede
hervorruft, kompensiert.
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Unter Umständen kann es schwierig sein, die Bedingung für
A dadurch zu erfüllen, daß der Kristall b auf die richtige Dicke abgeschliffen
wird. In diesen Fällen ist es möglich, den Kristall 29 um die Achse
32 drehbar anzuordnen. Ist z. B. die Länge der Index-Ellipsoid-Achse nb des
Kristalls 29
(und damit der Brechungsindex für diese Richtung) eine andere
als die der Achse nib, so ändert sich die Weglängendifferenz der Strahlkomponenten
im Kristall b bei Drehung des Kristalls um die Achse 32.
Eine Kompensation
der Weglängendifferenzen kann auf diese Weise bei beliebiger Dicke des Kristalls
b
erzielt werden.